冬寒区能源运输通道20年典型病害总结与展望

Summary and Prospect of Typical Diseases in Energy Transport Channels in Winter Cold Regions over Past 20 Years

摘要

为探明冬寒区能源运输通道的典型病害特征并指导道路延寿设计，该文基于陕北煤炭能源区531 km在役高速公路20年运营数据，分析路面反射裂缝、桥面连片坑槽、桥梁排水系统失效等病害成因。研究结果表明：当沥青路面厚度达到22 cm时，运营15年高速公路路面反射裂缝间距可控制在50 m以上，基本未出现裂缝引发的基层水损害，可明显延长路面寿命；桥面水泥钢筋混凝土调平层8 cm厚度偏薄，是桥面连片坑槽出现的主因，钢筋混凝土表面浮浆层未有效清除是导致桥面沥青层拥包、唧浆病害的主因，建议精铣刨2遍彻底消除浮浆层；在煤炭渣及冻融循环的影响下，常规的桥梁排水系统极易破损失效。在此特殊环境下，该文创新优化桥梁排水系统，采用预制外挂排水沟结合竖向排水系统，完善桥梁及桥下岸坡排水系统，适配冬寒区能源通道特殊运营环境。

Abstract

To investigate the typical disease characteristics of energy transport channels in winter cold regions and guide the design for extending road service life, the causes of diseases such as pavement reflective cracks, continuous potholes on bridge decks, and failures of bridge drainage systems were analyzed based on the 20-year operation data of a 531 km in-service expressway in the coal energy region of northern Shaanxi. The research results indicate that when the asphalt pavement thickness reaches 22 cm, the reflective crack spacing of the expressway operated for 15 years can be controlled to over 50 m. Basically, no base layer water damage caused by cracks occurs, and the pavement service life can be significantly extended. The relatively thin 8 cm thickness of the cement reinforced concrete leveling layer on the bridge deck is the main cause of the continuous potholes on the bridge deck, and the ineffective removal of the laitance layer on the surface of the reinforced concrete is the main cause of the upheaval and slurry pumping diseases in the asphalt layer on the bridge deck. It is recommended to perform precision milling twice to thoroughly eliminate the laitance layer. Under the influence of coal slag and freeze-thaw cycles, conventional bridge drainage systems are highly susceptible to damage and failure. In this special environment, the bridge drainage systems are innovatively optimized. Prefabricated external hanging drainage gutters combined with vertical drainage systems are adopted to perfect the drainage systems of the bridge and the bank slope under the bridge, adapting to the special operating environment of energy transport channels in winter cold regions.

Graphical abstract

关键词

冬寒区 / 长寿命路面 / 能源运输通道 / 路面反射裂缝 / 桥面连片坑槽 / 桥梁排水系统

Key words

winter cold region / long-life pavement / energy transport channel / pavement reflective crack / continuous pothole on bridge deck / bridge drainage system

0 引言

截至2024年，中国高速公路通车里程约19万km，在役的高速公路因地域环境、气候条件、交通组成、施工水平不同，影响道路结构耐久性及运营安全的典型病害存在一定差异。北方冬季温差大，路面横纵向裂缝普遍较为密集，横缝间距甚至达10~15 m/道，雨水渗入基层易导致基层松散、块裂，造成路面结构破坏。南方温差小，路面裂缝的数量明显减少，且发展速度相比北方更慢。如北方冬季雨雪反复冻融，易造成桥面铺装层混凝土松散，影响桥面寿命，并使运营安全风险明显增加；南方桥面坑槽病害则相对较少；重载交通下，横向裂缝极限不利位置更容易产生横纵交叉裂缝，进而发展为横缝龟裂、沉陷病害。因此，如何延长区域性高速公路服役寿命、如何避免新建高速公路出现典型病害，已成为国内外研究热点^［1‑2］。王迪等^［3］发表了《加拿大大陆性气候地区60年路面现场试验的经验与展望》，旨在通过总结区域路面养护实践经验，促进区域路面的延寿；肖倩等^［4］、张蕾等^［5］通过“足尺环道”研究不同结构下路面典型病害及机理，根据持续荷载作用，不断总结分析，致力于构建长寿命路面的成套理论体系。本文结合冬寒区能源通道高速公路20年养护经验，分析总结典型病害，为区域高速公路建设及延寿提供技术借鉴。

1 冬寒区高速公路典型病害分析

延安和榆林气候分区为冬寒区，年最低气温-32.7 ℃，年降雨量一般小于500 mm。延安为黄土高原区，榆林南部位于黄土高原与毛乌素沙地边缘，榆林北部主要位于毛乌素沙地。本文以6段典型高速公路能源运输通道为研究对象，累计里程531 km，各路段能源运输重载货车占比35%~87%（表1）。

1.1 半刚性基层路面裂缝病害

半刚性路面裂缝病害是基于半刚性基层材料的一种路面结构典型破坏形式。受气候环境、运输重载的影响，中国南北方半刚性基层裂缝病害存在显著差异。以深圳机荷高速为例，半刚性基层厚度40 cm，面层厚度18 cm，运营超20年，但路面贯通横向反射裂缝数量较少，间距一般为40~60 m/道，且大多数裂缝仅出现在重载车道。但在冬寒区，采用同样厚度的路面结构运营20年后，路面反射裂缝可达15~20 m出现一道，且裂缝更宽，一般大于5 mm。冬寒区路面典型反射裂缝如图1所示。

半刚性基层反射裂缝的密集程度和发展速度受温度和荷载影响较大，尤其是冬寒区，温差大、干燥的环境条件下，路面普遍裂缝较多，陕北、内蒙古、甘肃等西北冬寒区，路面裂缝密集已成为最为典型的病害，加之能源运输通道重载货车的持续作用，路面耐久性大幅衰减^［6-7］。统计陕北地区6段典型高速公路路面结构对应的路面反射裂缝间距（统计路段未实施修复养护。其中G65包茂高速和G20青银高速公路运营8~12年后实施过微表处，但微表处一般实施2年后，反射裂缝基本全部反射至路表面，对横缝数量影响较小）结果如表2所示。

综合表1、表2可知：研究路段均位于冬寒区，交通量基本相当，影响路面裂缝数量的主要因素为路面结构厚度和重载货车占比。

（1） 路面结构厚度对路面反射裂缝的影响

G65榆靖段于2003年通车，整体路面结构厚度偏薄，通车10年后反射裂缝间距达20 m。根据养护工程现场调研，榆靖段面层横纵向裂缝与基层横纵向裂缝基本呈一一对应关系，同时榆靖段横向龟裂、沉陷类重度病害占比接近20%，结构破坏最为严重^［5］。

G65靖边至建华寺和G20吴堡至绥德段的路面结构为典型的（4+6+8） cm沥青面层+20 cm水泥稳定碎石基层+20 cm水稳底基层，通车10年后横向裂缝间距约40 m，纵向裂缝较少。G20靖边至王圈梁段沥青路面为（4+5+6） cm的沥青面层，基层为38 cm水稳碎石，通车10年后反射裂缝间距28 m。G6512榆林至绥德段和G1812神木至府谷段，沥青路面结构为（4或5+6+12） cmATB-30（22 cm和23 cm）+36 cm水泥稳定碎石基层，通车10年后，路面反射裂缝间距分别为85 m和70 m；通车15年后反射裂缝间距分别为60 m和50 m。相对于小于20 cm沥青面层的路段，反射裂缝明显减少。此外，神府段在重载交通量下几乎未出现疲劳裂缝。

（2） 重载交通量占比对路面反射裂缝的影响

重载交通量大时，路面反射裂缝数量多，但通车15年后趋于稳定。榆绥段重载货车相对较少，路面反射裂缝的宽度一般小于5 mm，无裂缝次生病害；神府段重载交通量大，反射裂缝宽度普遍大于5 mm，且部分横缝发展为龟裂、沉陷类病害，产生了结构性破坏。

1.2 桥面铺装层拥包、坑槽病害

研究路段桥面沥青铺装层厚度一般为9~10 cm，钢筋混凝土调平层厚度为8~10 cm。在重载大交通量下，能源运输通道的桥面铺装层出现反复坑槽病害已成为顽疾、养护痛点。以2006年通车的G20吴堡至绥德段为例，该路段长57.4 km，包含桥梁142座，是陕晋煤炭运输重要通道，重载货车占比87%。该路段通车5年后，桥面陆续出现拥包、坑槽等病害；通车10年后，全线桥梁年修补坑槽200处以上；通车15年后，出现桥面连片坑槽的桥梁占比已达50%以上，相关部门投入近3亿元进行全线桥面铺装的集中治理。G22青兰高速宜川至陕晋界段以及延川至陕晋界段，能源运输重载货车占比达35%以上，同样出现了桥面拥包、连片坑槽的顽疾。因此，对于冬寒区能源运输通道货车占比高的路段，桥面连片坑槽病害已成为最典型的桥面铺装破坏形式，如图2所示。

冬寒区能源运输通道在重载交通作用下，桥面连片坑槽病害的成因更为复杂，多重问题交织，导致该病害成为典型顽疾。

（1） 大占比的重载交通是坑槽病害的主因。研究路段中相同的桥面结构，重载货车比例高于35%，该桥面坑槽发展速度、数量及程度均明显高于其他路段，同样运营10年重载比例小于35%的路段桥面几乎未出现坑槽类病害，而大于35%路段桥面出现坑槽的桥梁占比可达到30%以上。

（2） 桥面铺装层结构厚度是影响桥面耐久性的主要因素。研究路段中2010年之前修建的高速公路桥面铺装层设计厚度为9 cm沥青面层（4 cmAC-13+5 cm AC-20）+8 cm钢筋混凝土调平层。该桥面结构在应对重载交通时耐久性略显不足。首先，9 cm厚的沥青面层容易产生疲劳开裂以及水损害，桥面内部积水后形成连片坑槽；其次，在养护作业中发现，8 cm厚的钢筋混凝土调平层，其厚度不均匀是破损的主要原因。桥面局部最薄处的钢筋混凝土铺装层厚度甚至仅有3~4 cm，混凝土表面松散、钢筋外露，锈蚀问题严重，如图3所示。这也是桥面坑槽反复维修、难以彻底处治的原因。

（3） 桥面排水不畅导致结构自由水无法排出。桥面坑槽调查中发现，在山区桥隧占比较高的路段，当桥面位于超高段平坡时，更易产生坑槽及连片唧浆，沥青面层铣刨后桥面内部积水严重。桥梁伸缩缝前后也是桥面积水的典型位置。伸缩缝阻水导致桥面内部积水沿伸缩缝与沥青面层之间的缝隙唧浆，桥面积水后在重载交通作用下极易出现拥包、坑槽病害。

（4） 冬季频繁除雪，融雪剂融入雪水中下渗至桥面铺装内部，造成混凝土表面腐蚀松散，导致桥面铺装结构整体破坏。尤其是部分桥面施工过程中未对钢筋混凝土表面进行精铣刨处理，表面浮浆层未清理干净，加之融雪剂腐蚀^［8］、重载交通的共同作用，桥面沥青铺装很快出现拥包、坑槽、唧浆等病害，如图4所示。

1.3 桥梁排水系统失效病害

研究路段桥梁排水均采用泄水管集中排水方式。桥梁两侧布置ϕ200 mmPVC纵向泄水管，按一定间距设置竖向排水管，将雨水引入桥下^［9］。该排水方式在大部分地区较为适用，但对于冬寒区能源运输通道的特殊交通条件，其使用效果并不理想。首先，煤炭运输车辆在运输途中不可避免会将小颗粒煤渣散落在硬路肩，造成泄水管堵塞；冬季泄水管内雨雪反复冻融，导致泄水管开裂破损。其次，日常养护时使用硬质金属工具疏通泄水管，也会造成泄水管一定程度的损坏。尤其内侧超高路段泄水孔位于中分带位置，排水管破损后需要专业设备进行维修，修复费用高昂。在近20年的养护工作中，桥梁长期处于集中排水失效状态，泄水孔排水造成桥下黄土岸坡水毁冲沟，给桥梁带来更大的水毁隐患^［10］，如图5所示。泄水管断裂破损后，雨水直接冲刷边梁，边梁混凝土受融雪剂腐蚀，形成松散、露筋病害，桥面内部积水会沿湿接缝下渗，导致湿接缝底部混凝土腐蚀松散，如图6所示。

研究路段中，G20吴堡至靖边段、G6512榆林至绥德段、G1812神木至府谷段的排水系统失效病害最为典型。据不完全统计，以上路段在通车10年后的年度专项养护费用支出中，因桥梁集中排水失效造成的维养费用占比已超过1/5。

2 典型病害的治理措施及展望

2.1 冬寒区典型路面裂缝的治理措施

（1） 路面结构厚度抑制反射裂缝

通过对冬寒区半刚性基层路面结构的长期观测，在能源运输通道中，当沥青路面结构厚度达到22 cm时，尤其是下面层采用12 cm厚ATB-25改性沥青稳定碎石，路面运营10~15年依然可以控制反射裂缝间距大于50 m，路面疲劳裂缝也大幅减少。沥青稳定碎石因其大粒径及间断级配，可以有效消除裂缝尖端应力，抑制基层裂缝的反射。

（2） 防裂材料的使用效果评价

G20青银高速公路靖边至王圈梁段路面大中修过程中，在层间铺设聚酯玻纤布、玻纤格栅等防裂材料，如图7所示。5年的使用情况表明，聚酯玻纤布对裂缝的抑制作用相对较好，可将裂缝控制在25~50 m一道（以前是15~25 m一道）。聚酯玻纤布因其中的玻璃纤维与沥青具有良好的相容性，能与混合料形成整体的防水黏结层，不仅可抑制基层裂缝的发展，还能提高路面结构的防水性能，避免唧浆类病害的产生^［11］。

（3） 基层反射裂缝的处治经验

榆林至靖边高速公路沥青面层厚度仅为12 cm，原水稳基层采用了间距25 m一道预切缝处治方案。至今运营20年，基层预切缝近70%反射至面层，但反射裂缝顺直，预切缝有效控制了裂缝的顺直度，较少反射裂缝局部应力集中产生的纵向裂缝。结合研究调研的经验，基层铺筑时设置间距40 m一道的预切缝，可控制反射裂缝的形态及数量。

2.2 能源运输通道的桥面典型拥包、坑槽治理措施

（1） 桥面铺装病害的养护措施

冬寒区重载交通下，桥面拥包是一种常见病害，是典型的桥面铺装层间黏结不良与自由水共同作用的病害表现。因此，对于该类病害必须铣刨沥青铺装后，对水泥调平层表面的浮浆层进行彻底清理，并做好桥面防水黏结层，确保其有效地黏结和防水。

桥面连片坑槽且伴有唧浆病害是能源运输通道“癌症级”病害，该类病害普遍伴有水泥调平层破损、松散、露筋问题，同时还伴有桥面综合的排水问题。在养护作业中，一般仅能修复局部破损水泥调平层、适当设置桥面排水盲沟，恢复沥青面层，但其受限于交通干扰大及原桥面结构标高等，养护的耐久性往往并不理想。

（2） 能源运输通道耐久桥面结构的展望

桥面水泥调平层的设计厚度一般为8 cm或10 cm，建议加厚水泥调平层至12 cm，加强调平层最薄厚度和质量的控制，最薄厚度不得低于8 cm。加强防水黏结层设计，建议水泥调平层顶面必须采用精铣刨处治，并明确混凝土露骨或构造深度要求，明确浮浆层清理程度指标要求。同时若采用SBS改性沥青同步碎石防水层，应明确单粒径碎石的质量要求，必须进行过筛除尘以及撒布量控制。

重点加强大桥及特大桥的路线指标设计核查，对于长大桥梁超高段，应加强纵坡设计，防止平坡点排水不畅，对于伸缩缝造成的桥面结构层阻水，应在排水低点进行打孔排水。

2.3 桥梁排水系统优化措施

（1） 既有桥梁排水系统的优化

桥梁集中排水系统失效和纵桥向排水管排水不畅密切相关。因此，养护中采用了泄水孔直接接竖向排水管+消力池+急流槽方案，即路面汇水流入泄水孔后，直接由竖向排水管排至桥下岸坡排水沟。但由于原桥梁泄水孔间距一般为5 m一道，竖向排水管仅能在桥墩位置设置，因此需要对桥梁部分泄水管进行封闭，并需对泄水孔加强日常清理。

黄土地区桥梁集中排水管损坏后，主要导致桥下岸坡水毁。为了避免桥梁泄水孔雨水直接冲刷黄土岸坡，养护中顺着纵桥向下方设置3 m宽浅型排水沟，收集桥面泄水孔雨水，再统一由桥下综合排水系统将雨水排送。

（2） 新建桥梁排水系统的优化建议

陕北黄土沟壑纵横区，桥梁设计应突破传统的桥梁结构通用图，可创新增设外挂预制水沟等开放式排水设计。桥梁竖向排水位置应设置在地质可靠或综合排水系统完善的位置，并将其统一排至桥下，彻底解决冬寒区能源运输通道桥梁排水系统问题，保障道路运营安全。

3 结论

中国高速公路建设条件和服役环境复杂多样，区域化在役高速公路养护特点和难点各异。本文结合冬寒区能源运输通道20年养护经验，针对其典型病害，提出了安全韧性提升的对策措施与展望。

（1） 冬寒区能源运输通道长寿耐久性沥青面层厚度建议达到22 cm以上，加强上面层的抗疲劳和抗磨损性能。可采用聚酯玻纤布抑制反射裂缝，水稳碎石基层可按40 m间距设置预切缝，控制裂缝数量和形态，减少横缝龟裂、沉陷等重度病害。

（2） 能源运输通道水泥调平层设计厚度建议按12 cm控制，最小厚度不小于8 cm，水泥混凝土表面浮浆夹层可采用2遍精铣刨工艺彻底消除。大桥及特大桥应优化平纵指标，加强桥面排水指标设计。

（3） 桥面排水系统建议采用泄水孔+竖管直接排水或借助桥下排水设施优化桥梁排水。应突破传统桥面排水系统设计，创新采用桥梁外挂预制边沟以及定点设置竖向排水系统将桥面雨水集中、快速地排至桥下河道。

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基金资助

陕西省博士后科研项目(2023BSHGZZHQYXMZZ42)

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(300102313113)